6 2 应用程序设计与实现技术二

1、国家级精品课程 计算机控制技术,主讲教师：潘松峰 教授,青岛大学,第25讲 第6章 应用程序设计与实现技术（二）,6.3 数字控制器的工程实现,6.3.1 给定值和被控量处理,6.3.2 偏差处理,6.3.3 控制算法的实现,6.3.4 控制量处理,6.3.5 自动手动切换技术,6.3 数字控制器的工程实现,6.3.1 给定值和被控量处理,1.给定值处理 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率限制SR两部分。 通过选择软开关CLCR，可以构成内给定状态或外给定状态；通过选择软开关CASSCC，可以构成串级控制或SCC控制。,内给定,外给定,上位机给定,串级主机给定,给定值,给定值变化率限制

2、,(1)内给定状态 当软开关CLCR切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL。这时系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。 (2)外给定状态 当软开关CLCR切向CR位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。 SCC控制:当软开关CASSCC切向SCC位置时，接收来自上位计算机的给定值SVC，以便实现二级计算机控制。 串级控制:当软开关CASSCC切向CAS位置时，给定值SVS来自主调节模块，实现串级控制。,6.3.1 给定值和被控量处理,(3)给定值变化率限制 为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止

3、比例、积分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率SR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。 综上所述，在给定值处理中，共具有三个输入量(SVL，SVC，SVS)，两个输出量(SV，CSV)，两个开关量(CLCR，CASSCC)，一个变化率(SR)。为了便于PID控制程序调用这些量，需要给每个PID控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。,6.3.1 给定值和被控量处理,2.被控量处理（反馈量）,为了安全运行，需要对被控量PV进行上下限报警处理,即: 当PVPH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”； 当PVPL(下限值)时，则下限报警状态(PL

4、A)为“1”。 当出现上、下限报警状态(PHA，PLA)时，它们通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使PHAPLA的状态频繁改变，可以设置一定的报警死区(HY)。,6.3.1 给定值和被控量处理,2.被控量处理,为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变化率PR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。 被控量处理数据区存放一个输入量PV，三个输出量PHA、PLA和CPV，四个参数PH、PL、HY和PR。,6.3.1 给定值和被控量处理,6.3.2 偏差处理,偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿四部分，如下图所示。 1.计算偏差 根

5、据正反作用方式(DR)计算偏差DV， 当DR=0，代表正作用，此时偏差DV=CPV-CSV； 当DR=1，代表反作用，此时偏差DV=CSV-CPV；,2.偏差报警 对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量PV的上、下限报警，而且要设置偏差报警。 当偏差绝对值|DV|DL时，则偏差报警状态DLA为“1”。 3.输入补偿 根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差DVC与输入补偿量ICV之间的关系，即 当ICM=0，代表无补偿，此时CDV=DVC； 当ICM=1，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV; 当ICM=2，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV; 当ICM=3，代表置换补偿，此时CDV=I

6、CV。 利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿(Smith)控制。,6.3.2 偏差处理,4.非线性特性 为了实现非线性PID控制或带死区的PID控制，设置了非线性区-A至+A和非线性增益K，非线性特性如图所示。即： 当K=0时，则为带死区的PID控制； 当0K1时，则为非线性PID控制； 当K=1时，则为正常的PID控制。 偏差处理数据区共存放一个输入补偿量 ICV，两个输出量DLA和CDV，两个状态量 DR和ICM，以及四个参数DL、-A、+A和K。,6.3.2 偏差处理,在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量U，并进行上、下限限幅处理。 以

7、PID控制算法为例，当软开关DVPV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DVPV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)微分方式。 在PID计算数据区，不仅要存放PID参数(KP或，TI，TD)和采控制周期T，还要存放微分方式DVPV、积分分离值，控制量上限限值MH和下限限值ML，以及控制量UK。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)。,6.3.3 控制算法的实现,6.3.4 控制量处理,在输出控制量UK以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。 1输出补偿：根据输出补偿方式OCM的状态，决定控制量UK与输出补偿量OCV之间

8、的关系，即：,控制量,输出补偿量,输出,当OCM=0，代表无补偿，此时Uc=Uk； 当OCM=1，代表加补偿，此时c=Uk+OCV； 当OCM=2，代表减补偿，此时Uc=Uk-OCV; 当OVM=3，代表置换补偿，此时Uc=OCV.,利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。,安全输出量,输出补偿量方式,2变化率限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率MR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。 3输出保持：当软开关FHNH切向NH位置时，现时刻的控制量u(k)等于前一时刻的控制量u(k-1)，也就是说，

9、输出控制量保持不变。当软开关FHNH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。软开关FHNH状态一般来自系统安全报警开关。 4安全输出：当软开关FSNS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS。当软开关FSNS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。软开关FSNS状态一般来自系统安全报警开关。 控制量处理数据区需要存放输出补偿量OCV和补偿方式OCM，变化率限制值MR，软开关FHNH和FSNS，安全输出量MS，以及控制量CMV。,6.3.4 控制量处理,6.3.5 自动手动切换技术,在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。下图为自动/手动切换处理框图。

10、1.软自动软手动 当软开关SASM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；反之，切向SM位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，此时系统处于计算机手动状态，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。,输出控制量,软手动控制量,手动控制量,控制量限幅,2.控制量限幅 为了保证执行机构工作在有效范围内，需要对控制量Us进行上、下限限幅处理，使得MLMVMH，再经DA转换器输出010mADC或420mADC。 3.自动手动 对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于HA位置时，控制量MV通过DA输出，此时系统处于正常的计算机控

11、制方式，称为自动状态(HA状态)；反之，若切向HM位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人员通过手动操作器输出010mADC或420mADC信号，对执行机构进行远方操作，这称为手动状态(HM状态)。,6.3.5 自动手动切换技术,4.无平衡对位、无扰动切换 所谓无平衡无扰动切换，是指在进行手动到自动或自动到手动的切换之前，无须由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时不会对执行机构的现有位置产生扰动。 为了实现从手动到自动的无平衡操作无扰动切换，在手动(SM或HM)状态下，尽管并不进行PID计算，但应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数

12、据，如e(k-1)和e(k-2)清零，还要使u(k-1)跟踪手动控制量(MV或VM)。这样，一旦切向自动而u(k-1)又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PID控制量的连续性。当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。 当从自动(SA与HA)切向软手动(SM)时，只要计算机应用程序工作正常，就能自动保证无扰动切换。当从自动(SA与HA)切向硬手动(HM)时，通过手动操作器电路，也能保证无扰动切换。,6.3.5 自动手动切换技术,以上讨论了PID控制程序的各部分功能及相应的数据区。完整的PID控制模块数据区除了上述各部分外，还有被控量量程上限RH和量程下限RL，工程单位代码、采样(控制)周期等。该数据区是PID控制模块存在的标志